真空联合堆载预压法加固软基效果的试验论文.docx

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真空联合堆载预压法加固软基效果的试验论文

毕业论文

题目：

真空联合堆载预压法加固

软基效果的试验

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成绩：

二0**年*月*日

真空联合堆载预压法加固软基效果的试验

摘要

我国广大地区特别是沿海地区分布着大量工程性状较差的软粘土，如何合理有效的处理软土路基已经成为在这些地方建设高质量、高标准高等级公路的关键问题之一。

真空联合堆载是一种较好的软基处理方法，具有施工简便，费用较低，土体固结沉降快，土体强度增长明显等优点，目前已广泛应用于我国港口、公路建设中。

但对其加固机理的研究方面仍存在严重不足，为了明确加固机理，提高设计和施工水平，有必要作进一步深入的研究。

本文回顾了真空联合堆载预压技术的历史发展和研究现状，分析了真空联合堆载预压加固软土地基的机理。

然后结合珠江三角洲地区某软基的真空联合堆载预压加固工程，进行现场试验研究。

通过分析现场资料得到其有效加固深度可以达到排水管以下4m；沉降盆曲线的变化除了与边界的密封情况有关，还与加固区土质情况、加载大小等因素有关；在未填土之前的抽真空期间，各深度的孔隙水压力下降速度较快，开始填土后，由于真空负压的抵消作用，超孔隙水压力的增长幅度较小，并且在停止加载后迅速下降。

关键字真空预压堆载预压真空联合堆载预压加固效果现场试验

Vacuumcombinedpileloadpreloadingmethodtoreinforcesoftfoundationeffecttest

ABSTRACT

Largeareasinourcountry,especiallyincoastalareaswithalargenumberofpoorengineeringpropertiesofsoftclay,howreasonableandeffectivetodealwithsoftsoilsubgradeconstructionintheseplaceshasbecomeoneofthekeyproblemsofhighquality,highstandardhighway.Vacuumcombinedpileloadisagoodsoftgroundtreatmentmethod,withthefeaturesofeasyconstruction,lowcost,quickconsolidationsettlementofsoil,thesoilstrengthincreasingobviousadvantages,hasbeenwidelyusedinport,highwayconstructioninChina.Butthereinforcementmechanismoftheresearchisstillinadequate,inordertodefinethereinforcementmechanism,improvethelevelofdesignandconstruction,itisnecessaryforfurtherin-depthresearch.

Thisarticlereviewsthehistoricaldevelopmentofvacuumcombinedpileloadpreloadingtechnologyandresearchstatusquo,analysisofthevacuumcombinedpileloadpreloadingconsolidationmechanismofsoftsoilfoundation.

Thencombinedwiththepearlriverdeltaregionofasoftfoundationengineering,vacuumcombinedpileloadpreloadingforfieldtestresearch.Throughtheanalysisoffielddatatogettheeffectivereinforcementdepthcanreachadrainbelow4m;Subsidencebasincurvechangesinadditiontotheassociatedwiththesealingconditionofboundary,withfactorssuchassoilconditions,andthesizeoftheload,thereinforcedarea;Beforeincompletelysoilduringthevacuum,thedepthoftheporewaterpressuredropspeedfaster,startedfilling,duetotheeffectofoffsetofthevacuumnegativepressure,inthegrowthofexcessporewaterpressureissmall,andwhentheloadwasstoppedfallingfast.

KEYWORDSvacuumpreloadingstackpreloadingandvacuumcombinedpileloadpreloadingreinforcementeffectfieldtest

目录

第一章绪论1

1.1前言1

1.2真空预压法的发展历史1

第二章真空联合堆载预压法软基加固处理4

2.1真空联合堆载预压法加固机理4

2.1.1真空预压法加固机理分析4

2.1.2堆载预压法加固机理分析5

2.1.3真空预压法与堆载预压法比较7

2.1.4真空联合堆载的加固机理7

2.2强度增长机理9

2.3微观机理分析10

第三章真空—堆载联合预压加固效果的现场试验分析11

3.1工程概况及试验方案11

3.1.1试验段工程地质条件11

3.1.2试验目的及试验方案12

3.2现场试验成果分析13

3.2.1表面沉降及深层沉降分析13

3.2.2水平位移分析17

3.2.3孔隙水压力17

第四章结论与展望20

4.1结论20

4.2工作展望20

参考文献21

致谢22

第一章绪论

1.1前言

软土在我国分布广泛，在沿海和河流中下游及湖泊附近地区都分布着含水量高、透水性差、压缩性大、强度低的海相沉积软弱粘士层，其地基承载力和稳定性很差，在荷载作用下会产生相当大的沉降和沉降差，影响建筑物的正常使用；另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能工程要求而容易产生地基破坏。

为保证在施工和使用期间的承载力与稳定性安全，消除过大的沉降变形和正常使用，首先要对这种软土地基进行加固处理。

与其他方法相比，排水固结法是一种处理效果好、技术简便、造价低廉的处理方法，适用于大面积的软粘土场地处理。

目前常用的排水固结处理方法有塑料排水板真空预压法、真空—堆载联合预压法、塑料排水板法、动静结合排水固结法等几种。

真空联合堆载预压法与堆载预压法相比，不存在弃土与地基稳定问题。

在真空联合堆载预压加固软基中，较好的解决了一般堆载预压施工的缺陷，加上其质量比较容易控制，造价低，耗能少，省材料，无噪音，无污染的特点，在大面积超软土地基处理中，该法被大量采用。

在高速公路软基处理，从施工的角度而言，真空预压技术已相对成熟。

但在港口工程中的应用，还有许多问题需要解决。

真空联合堆载预压法作为一种后来崛起的方法，是一种快速同时处理效果优良的加固技术，具有广泛的应用前景。

1.2真空预压法的发展历史

真空预压法加固软土地基的基本原理，最早由瑞典皇家地质学院杰尔曼教授于1952年提出。

但是多年来由于施工工艺方面的困难，主要是抽气设备、密封材料、垂直排水通道、打设技术等方面的原因，这一技术的发展相当缓慢，没有得到大规模的生产应用，理论提出后很长一段时间仅仅在少量几个工程中被采用。

1958年美国费城机场曾用真空井点降水与排水砂井相结合，解决了飞机跑道的扩建工程。

加固区面积近14万平方米，有763m长，183m宽。

被加固的土层为4.6～6.1m厚的粘质和粉质粘土和位于该层上面的刚吹填不久的厚度为1.5～3,0m的沉积粘土和淤泥，粉质粘土中夹有薄的、不连续扁豆形细砂层，再往下是粗砂和砂砾层。

加固区内打设595口排水砂井，在加固区四周打设15口真空深井，井深21.3m，每一深井安装一台立式涡轮真空泵。

深井用来形成负压源，所用的抽气设备是深井立式涡轮真空泵，用膨润土将管口密封，各井出口处都由管道相连，整个地区真空度在达到380mm汞柱（约50kPa）后，继续恒压18天后停止抽气，加固达到了预期的目的。

本项工程最大的特点就是充分利用地层的特点，将负压源设在地下，充分利用不连续扁豆形细砂层和粗砂与砂砾层作为传递真空度的水平通道，将真空度传递到排水砂井周围的土层中，从而向砂井周围的土体扩散，使土体产生固结。

解决了负压源设在地表而表层大面积密封的困难。

这是一次成功的实践，然而抽真空设备的效率和深井井口的密封应该说还是不够理想的。

日本横滨市武丰火力发电厂运用该法加固地基时，真空度也只达到405mm

汞柱，一旦停泵l0min，真空度便降至80～100mm汞柱。

看来地表密封还是达不到实用的要求。

20世纪70年代日本东北地区新干线在第七号谷地的泥炭土和混有有机物的淤泥土地区，在采用真空排水预压法进行加固时，加固区内打设了垂直排水通道——纸板，加固区四周打设钢板桩并施加了膨润土溶液进行密封，解决了漏气问题，使泵后真空度保持在700mm汞柱，最高达到720mm汞柱，膜下真空度仅达到478mm汞柱。

经过21天的抽气压载使加固区发生近83cm的沉降量，使地基土的无侧限抗压强度提高1倍多，加固取得了明显的效果。

然而受纸板材料的影响，真空度沿纸板的传递衰减很大，离地面2m深处真空度就减小为膜下的五分之一。

尽管如此，本项目的成功还是将真空排水预压法的加固技术向前大大推进了一步。

到了1982年，日本大阪南港在第二阶段的加固工程中，采用袋装砂井或排

水纸板作为垂直排水通道，采用抽真空与抽水相结合来降低水位的方法，加固第一阶段中几乎没有得到改善的上部2/3厚度的软弱吹填土，加固面积达到100万平方米，它也是通过密封管道将真空源置于被加固层下、运用潜水泵将水排出，在被加固的吹填土上回填5～8m厚的砂质土作为密封层（该层本身就是地面高程所需要回填的），而抽气管口用粘土密封。

这样，就因地制宜地解决了大面积场地的密封问题，把该项技术的应用推向一个新的阶段。

在初期试验阶段真空度也仅仅达到430mm汞柱，在第一期加固工程中便达到500～600mm汞柱。

经过对泵设备的进一步改进，在第二期工程中管内真空度始终保持在630mm汞柱。

我国开始研究此项加固技术还是较早的，1957年807部队和哈尔滨军事工程学院在室内和室外做过真空预压试验，王仁权就探讨过用真空预压法加固淤泥地基，1959年他们对淤泥地基加固的野外试验进行了总结；1959年天津大学开展了室内真空预压试验研究来探讨真空预压的规律性和效果，提出了“吹填土真空排水固结试验研究”的报告；同年南京科学研究所在天津做了“电渗真空砂井

联合作业法”的试验研究，于1960年提出“电渗排水加速海淤软土固结试验报告”；1960年同济大学和南京水利科学研究在上钢一厂做了小型现场试验，提出了“用真空预压法加固吹填土的试验小结”的报告，报告叙述说“地面上铺设了一层砂卵石，其上覆以一层不透气的材料（用的是厚度为2mm的橡胶布），用抽气机将砂卵石和砂井中的空气抽去以后，在一定范围内的土层中形成真空。

试验时，抽气开始后，抽气机上的真空压力很快便达到了相当于0.9MPa的压力，覆盖层紧紧地被吸住了，贴在砂卵石上。

用手指去掀它，简直像石头一样。

这种现象表示大气压力似乎已经有效地利用了。

但奇怪的是地基始终没有显著的沉降发生，埋在地面下2～3m的标点几乎未见有沉降的迹象。

”试验没有成功，大面积使用也就未能付诸实施。

到了20世纪80年代，以交通部第一航务工程局为主，天津大学、南京水利科学院土工所参加的联合攻关小组，对该项加固技术又重新进行了探索、研究。

经过几年的努力，一航局解决了关键的抽气设备，用射流泵代替了上述真空泵，很好地解决了气水分离问题，使抽真空的效率大大提高，膜下真空度稳定在530mm汞柱，最大可达到600mm汞柱，从而使该项加固技术的施工艺有了突破性地进展，使之能满足加固大面积软土地基的要求，并使相当的预压荷载达到80kPa。

该法在天津新港经历了由探索试验（11m×24m）、中间试验（550m2，1250m2），最后到生产应用（3000m2/块）的过程，逐步走向完善成熟。

与此同时，国内也有不少地方采用该法加固软土地基，并不断改进，使现行的施工工艺越来越完善。

如福州市采用此法加固某软土地基，真空度达到640mm汞柱，相当预压荷载达到87kPa。

1984年由南京水科院与江苏盐业公司基础工程处在连云港海滩共同进行了现场试验，当时进行的是生产性试验，试验后的场地即用作生产地基，其面积为4000m（50m×80m），是当时国内单块面积最大的。

经过共同努力取得了成功并在施工工艺上又有了一些改进，用此法还在连云港碱厂加固了近18万平方米地基，使这项加固技术有了新的提高。

经过国内外几十年来的不断探索和研究，使该法日臻完善，早已进入大面积应用、实施阶段，成为目前加固软土地基的一个行之有效的、常规实用的方法。

近十多年来，在天津新港建设中、在浙江舟山市老塘山煤码头建造中、在汕头港和京珠高速公路等诸多工程项目建设中，都采用了真空排水预压法或真空排水预压与堆载预压相结合的方法加固了软土地基，为国民经济建设作出了贡献，并使该项加固技术水平走在了世界的前列。

第二章真空联合堆载预压法软基加固处理

真空联合堆载预压法属于排水固结法，排水固结法可以解决两个问题：

（1）沉降问题。

使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差；

（2）稳定问题。

加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。

这是一种较为理想的软土地基加固方法，在减小地基变形、增强加固效果、减少加固时间和降低成本等几个方面综合来看表现出了非常明显的优势。

目前对真空预压法及真空联合堆载预压法如何加固地基的研究，主要存在两种观点，一种观点是将膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上；另一种观点则是陈环等人提出的负压下固结理论，即认为真空预压地基的固结是在负压条件下进行的，它和在正压条件下的固结问题基本相同，只是边界条件有差别，因而仍然可用现有的固结微分方程求解。

2.1真空联合堆载预压法加固机理

2.1.1真空预压法加固机理分析

在抽真空之前，大气压力Pa直接作用于土体，膜下淤泥地基与塑料排水板中孔隙水压力处于等势状态，地下水不会发生流动。

在真空泵开始工作后，膜下的大气压力迅速减少，砂垫层和塑料排水板内的气压依次降至Pv，于是薄膜内外存在的压力差Pa-Pv，这个压差称为真空度。

此时膜内的大气压减小，真空度增大。

由于竖向排水体与膜下砂垫层的连通性较好，阻力较小，因此砂垫层形成的真空度通过竖向排水体逐渐沿深度向下传递，竖向排水体中的真空迅速提高，导致竖向排水体中的孔隙水压力迅速降低；同时真空度又由塑料排水板想四周土体扩展，而淤泥地基中的真空度基本保持不变，孔隙水压力变化相对较小；因此，在淤泥与竖向排水体之间产生孔压差，即“负压”，也就是新形成的空隙水压力小于原大气状态下的孔隙水压力，其增量是负值。

淤泥地基中的地下水在孔压差的作用下，经竖向排水体、砂垫层、滤管、主管与真空度的增加，地基中孔隙水压力μ值必然降低。

从整个加固过程可以看出，真空预压法是通过抽真空对加固区施加真空负压，它作用于砂垫层和排水板内的孔隙水，在短时间内砂垫层和排水板内的孔隙水压力迅速降低并排出水和气。

由于土和排水板的渗透系数的极大差别，土体在刚开始抽气时仍保持抽气前孔隙水压力分布状态，这样，土体内与作为边界的排水板和砂垫层间形成孔压差。

孔隙水在压差的作用下，伴随着渗流使水排出并使μ降低。

μ（势）的不平衡逐渐由近及远地向距离较远的点波及，形成土体内距排水板和砂垫层远与近各点间的μ（势）差。

直到土体内与边界上的μ（势）达到新的平衡为止。

在荷载作用前，地基中存在的初始应力场。

初始应力场常与土体自重及地下水位有关。

在工程应用上，计算初始应力场时假设天然地基为水平均质各项同性无限空间，土层分界面为水平面。

在地下水位以上土层中，初始应力场总应力与有效应力是相等的。

下面，仅对饱和土地下水位线与地面齐平的一维问题进行有效应力分析，如图2-1示。

真空预压地基中某一点处的应力分析：

图2-1真空预压有效应力分布图

前提是在整个真空预压过程中总应力是不变的，△σ=0。

σ0=hγsat

μ0=γwh

没有抽真空t=0时，土体的承担有效应力σ′=γsath，

超孔隙水压力μr=0，此时的孔隙水压力就是μ=μ0=γwh；

t>0时，μ=μ0+μr

σ′=σ0-（μ0+μr）

当0

σ′=σ0-（μ0+μr）=（σ0-μ0）-μr=γh+（Pa+Pv）

两边对t微分得：

dμr=dh

也就是真空预压时，任意点的有效应力增量等于地下水位低量。

2.1.2堆载预压法加固机理分析

堆载预压法是在土体上部施加荷载，当堆载时，饱和软粘土地基由于荷载作用而产生的附加应力开始全部由孔隙水压力承担，而有效应力不变。

由于存在土体内与边界上孔隙水压力μ（势）的不平衡，存在“压力差”，在这种“压力差”作用下，土体内孔隙水由μ（势）高处往μ（势）低处转移，从而产生流向排水边界的渗流场。

随着孔隙水的排出，土体内的超静孔隙水压力逐渐消散，最终全部转化为有效应力。

仅对饱和土地下水位线与地面齐平的一维问题进行有效应力分析如图2-2所示。

堆载预压地基中某一点处的应力分析：

初始状态：

σ0=hγsat

μ0=γwh

堆载的瞬间，t=0时，μr=△σ，

△σ=P/F

σ′=（σ0+△σ）-（μ0+μr）

得出任意时刻的σ′为：

σ′=（σ0+△σ）-（μ0+μr）=γ’h+（P/F-μr）

两边对t微分得dσ′=-dμr

式中：

σ0——初始总应力（自重应力）；

△σ——由外荷引起的附加应力（P/F）;

μ0——初始静水压力；

μr——超孔隙水压力。

也就是堆载预压时，土体内任意点任意时刻的有效应力增量等于超孔隙水压力的降低。

图2-2堆载预压有效应力分布图

2.1.3真空预压法与堆载预压法比较

在分析了堆载排水预压法与真空排水预压法的加固机理之后，可以看出它们二者在加固机理方面的区别。

如表2-1所示。

表2-1真空预压与堆载预压比较

真空预压

堆载预压

有效应力原理

总应力不变，孔隙水压力减小而使有效应力增加

总应力增加，孔隙水压力消散而使有效应力增加

孔隙水压力

增量为负值

增量为正值

强度增长

等向应力增量下固结而使土的强度增长。

剪应力不增加。

非等向应力增量下固结而获得强度增长。

剪应力也在增加。

加载速率

不必控制加载速率，可连续抽真空至最大真空度。

堆载过程中需控制加载速率

侧向变形

预压区周围土体产生指向预压区的侧向变形

预压区周围土产生向外的侧向变形

渗流

以降低垂直排水通道中的孔隙水压力，使之小于土中原有的孔隙水压力，形成渗流所需的水力梯度

以增加软土中孔隙水压力，并使之超过垂直排水通道中的孔隙水压力，使土中的谁向垂直排水通道中汇流

有效影响深度

真空度往下传递中有一定的衰减

有效影响深度较大

地下水位

降低地下水位将使相关土层发生排水固结

地下水位不变化

材料

不需要大量预压土方

需要大量预压土方

2.1.4真空联合堆载的加固机理

在真空预压的基础上施加堆载，就成为真空联合堆载预压法。

真空联合堆载预压法具有真空预压和堆载预压的双重效果。

根据H.Darcy渗透定律可得到：

V=k（△h/L）

式中，V——孔隙水的渗透速度；

K——土地渗透系数；

△h——水头差；

L——渗透距离。

由上式可以看出，土体中孔隙水的渗透速度与水力坡降（△h/L）成正比，通过增加水头差或减少排水距离，均可加速土体排水固结。

堆载预压（正压）和真空预压（负压）都满足太沙基有效应力原理。

加固软基的实质都是将孔隙水压力转化为有效应力，二者的共同之处在于：

使土体内空隙水压力大于塑料排水板内孔隙水压力，使塑料排水板内外形成水力梯度，促使孔隙水排出，达到加固软土的目的。

这就是真空堆载联合预压法形成的基础。

图2-3真空联合堆载预压作用下有效应力变化图

真空预压的加固机理是通过降低土体中孔隙水压力，也就是使加固区内形成负的超静孔隙水压力，使加固区内外存在水头差，形成渗流所需要的水力梯度。

堆载预压是由于堆载产生的正的超静孔隙水压力，使土体和排水边界间存在水头差，形成渗流所需要的水力梯度，通过孔压的消散使土体固结，强度得到提高。

真空联合堆载预压法通过抽真空同时进行堆载的方法，二者联合作用，使得土体与排水边界间的孔隙水压力的压差增大，即增加水头差，从而提高土体内孔隙水的渗透速率，使孔隙水压力消散的更快，加快土体固结速率，提高加固效果。

真空联合堆载预压有效应力变化如图2-3所示。

从图中可以看出，真空堆载联合预压的有效应力为真空预压引起的有效应力与堆载预压引起的有效应力的线性叠加。

堆载与否对竖向排水体中的孔压影响较小，而土体中孔隙水压力增加了，孔压差的增加能加速水的渗流。

此时的孔隙水渗流速度要比单一的真空预压更快。

2.2强度增长机理

堆载预压法是通过增加总应力，再借助排水板、砂垫层等排水措施加快土体中孔隙水的排出速率，进而实现有效应力和孔隙水压力的相互转换，达到软基加固的目的。

众所周知，上部荷载在地基中形成的附加应力在水平向和竖直向是不等的，因此，堆载使球应力增加，也是剪应力增加。

应力起初由孔隙水承担，随着土体的排水固结，逐步转换成有效正应力，有效正应力的增加也使得土体的强度增加，而孔隙水（自由水）无法承担剪应力，剪应力自始至终都由于土颗粒骨架承担。

剪应力的存在使软土的强度折损（强度减损现象）。

因此，用堆载预压法加固软基时，必须严格控制填土速度，使土体强度增肌与剪应力的增加相适应，这样才能保证地基加固过程的稳定性，避免出现失稳破坏的现象。

真空预压过程中总应力不变，它通过降低孔隙水压力来增加有效应力，△σ=△μ亦即真空预压过程中不产生剪应力增量，而只产生球应力，是等向固结。

等向固结过程是地基土体强度增加的过程，因而真空预压过程中，土体的强度和稳定性不断增长，不存在失稳的可能性。

两种加固方法的固结方式不同，给它们的不排水强度增长也带来一些差异。

如图2-4中所示，A圆表示天然地基中土体某点在K0固结下的应力状态，在真空预压作用下，由于孔压是球应力，真空预压时减少的孔压是各向相等的，地基中土体单元的摩尔圆大小并没有改变，只是向右发生移动，加固后